不止容量提升7倍：UCLA同步推出3D打印标准化测试单元，改写电池研究一致性

加州大学洛杉矶分校和中国台湾清华大学的研究人员，在《Small》期刊上报告了两项3D打印储能技术的进展：一个锌离子混合电池，储电量比同类器件高了七倍以上；还有一个低成本、密封的测试电池，能让实验数据更靠谱。

这两项研究目标一致，就是让太阳能和风能发电，能配上快速充电、长寿命又便宜的储能设备。锌的优势很明显，储量比锂丰富（锌在地壳里的含量大概是锂的100倍），而且容易提取和回收，能降低固定式储能的成本和环境足迹。

这个电池本身就是个混血儿：一个端子跟传统锂离子电池的储能组件差不多，另一个端子用的是类似超级电容器的碳电极。超级电容器的短板是能量只能挤在电极表面，所以容量上不去，但优点是充电快、放电快、寿命长。为了解决这个痛点，UCLA团队用紫外激光树脂打印工艺，搞了个蜂窝状（或者说海绵状）的碳电极，上面密密麻麻布满了数十亿个微小孔洞。

打印完后，电极经过加热和脱气处理，只留下开孔的导电碳骨架，然后通过化学反应负载上氧化钒。这么一搞，表面积变得巨大，一克电极材料如果摊开，能铺满大约十个网球场。UCLA的杰出教授Ric Kaner（共同通讯作者）说：「我们这个方法可以逐层构建任意3D支架，还能控制微观结构。我们实际上造出了几十亿个微小孔洞，内部表面积巨大，其实就是靠这点储存大量电荷。」

相比其他电容器，这个设备的容量提升了七倍多，而且在1500次充放电循环后，仍然保持了82%的储电容量。UCLA的助理研究员Maher El-Kady（共同通讯作者）表示：「储能技术的未来不会被单一技术定义。到某个时候，我们得找东西来补充电网规模的储能选项。我们这次弄出来的成果，其实就是把容量提升了将近一个数量级。」研究资金来自加州大学气候行动种子基金、Nanotech Energy Inc.以及加州大学洛杉矶分校的讲座教授席位。

前面提到的那个3D打印测试单元，是为了改进实验室里常用的开放式烧杯。标准的商用玻璃测试单元一个要上千美元，所以大多数研究团队只能用烧杯，但烧杯会导致电解液蒸发，电极定位也不准，影响测量精度。UCLA打印的测试单元就不一样了，顶部密封，还有固定电极的槽。对比试验中，标准碳电极在打印单元里跑了1500次循环，还剩98%的电荷量，而在传统开放式电池里，不到100次循环就废了。打印电池在电容和电阻测量中也给出了更一致的结果。

第一作者、刚在UCLA拿到博士学位的Sophia Uemura说：「我们希望这个测试单元能帮到其他研究人员，让他们拿到更一致又可靠的结果。3D打印让人兴奋的地方就是它已经这么普及了，也就是说，任何有3D打印机的人都能像我们一样做出测试单元，按自己的需求去调整。」

加州大学洛杉矶分校团队的策略是补充锂离子电池，而不是取代它。他们想攻克超级电容器速度与电池容量之间的权衡问题。低成本树脂3D打印塑造了电极结构，让丰富且可回收的锌能够用于电网储能。可打印测试电池则能让更多实验室摆脱开口烧杯的局限。

这一方法符合更广泛的趋势，就是利用增材制造重新思考储能架构。卡内基梅隆大学的研究人员使用气溶胶喷射打印技术，为锂离子电池构建了银晶格电极。多孔几何结构让锂能渗透整个电极体积，与实心电极相比，比容量提高了400%，面积容量提高了100%。瑞士EMPA的科学家用直写成型技术制造了一种完全3D打印的可生物降解超级电容器，基底由纤维素和甘油构成，能承受数千次充放电循环。曼彻斯特大学则开发了一种可打印的MXene墨水，用于制造高电容和高能量密度的超级电容器电极。

所有这些努力表明，电极架构，而不仅仅是化学，正在成为储能领域的一个主要杠杆。加州大学洛杉矶分校的贡献是将这一趋势与廉价且丰富的锌结合起来。如果能够规模化，这个方案可能重塑电网储能的经济性。

点击此处查看完整研究